计算机视觉
图像处理

摄像机常见术语和参数介绍(三)

图像处理专用照明光源

机器视觉中的照明

  照明在机器视觉中的重要地位几乎已经被所有的视觉工程师认识,我们经常可以看到这样的格言,“better to light than write (software)”,“avoid garbage in (bad lighting) that causes garbage out (bad result)”,“create the BEST image first”,“Lighting can make or break the job”等等,接下来的问题是我们如何选择光源、设计照明系统,最终获得最佳图像效果。
设计照明系统,首先应该对光源的特性有所了解。这包括:(1)光源本身的特性,如光源的光谱分布,在被照射面上的亮度分布,光源使用中的温度特性和寿命等。(2)光源与被照射物体的相互作用。光源照射在物体上,会发生反射、吸收和透射三种相互作用,不同材质的物体,三种作用产生的现象不同,同一种物体上缺陷部分和其他部分,三种作用产生的现象也不同。如在表面检测中,我们可以粗略的把目标上的缺陷分成二类,一类是几何形状缺陷,诸如:凹坑、划痕、裂纹、毛刺、凸起、擦伤、碰伤等;另一类是表面强度(或密度)缺陷,如:氧化、生锈、污点、污迹等,前者使表面反射发生变化,后者使表面反射和吸收都发生变化。只有仔细研究光源与被照物相互作用的特点,才能确定光源及照明方式。物体的色彩是光吸收的另一个例子。全波段的白光照射到物体表面,一些波长的光被物体表面吸收,一些波长的光被表面反射,物体呈现出与反射光相同频谱的颜色。利用这个道理,我们可以使用黑白摄像机,选择特定波长的光源,突出物体表面待检测部分与其它部分的灰度差,实现可靠、稳定的检测。(3)光源的结构。光源可以做成各种形状结构,每种形状发出光的特点不同。如:漫反射光,可以在目标平面上获得均匀的光照;直射光,通过反射和产生阴影显示边缘和表面结构,但光源或目标的移动和倾斜都会明显的影响图像亮度和对比度。另外,光源可以放在被照物体的上方或者下方,可以有各种角度和高度,通过不同形状和照明方式的组合,利用诸如产生阴影、产生高亮区域或无反射区域的方法,使目标上的感兴趣区域与其它区域有尽可能大的区别。
在确定了光源和照明方式后,设计照明系统最后一步也是最重要的一步就是实验。在现实世界中,目标表面特性并非单一,光源与目标物体的相互作用往往是各种现象的组合,有些难以用理论做出准确的描述。通过实验可以验证设计的正确性,同时在实验中,改变影响图像的因素,如:目标在视场中的位置及相对于光源的角度,光源的亮度等,可以进一步验证系统的可靠性和稳定性。
总之,设计光源系统,最终目的是:最大程度地增强感兴趣特征的对比度,抑制和减少目标上其它部分的影响,抑制外部环境的影响。
下面简单介绍机器视觉照明技术中的一些基本概念。

光源 
能够实现照明的光源有许多种类型,但在机器视觉中,应用最多的是卤素灯、荧光灯和LED灯。近些年来,LED技术发展很快,加上其固有的一些特点,如:寿命长、亮度稳定、可构成不同形状和光谱、可频闪和功耗低等,逐渐在机器视觉使用的光源中占主导地位。当然,在色彩检测中,荧光灯以其色还原性好的特点仍有大量应用,在高亮度应用场合,卤素灯还有自己的优势。

亮场照明和暗场照明 
亮场照明和暗场照明描述光源和摄像机的相对位置,是机器视觉照明技术中常见术语之一。
在摄像机垂直于被检测目标的情况下,亮场照明和暗场照明的定义是:

假设检测目标具有平坦、光滑的表面(镜面),摄像机处置放在目标中心的上方,由图可见,在“W”二个“V”内发出的光,经目标表面反射,全部落在镜头的范围内,称作亮场照明;而从在“W”二个“V”外发出的光,经目标表面反射,没有光线落入镜头的范围内,称作暗场照明。
当目标表面有缺陷时,如:等,亮场照明,缺陷部位的反射光不再落入镜头的范围,形成低灰度值区,与背景产生反差;暗场照明正好相反,缺陷部位的反 射光进入镜头,产生高灰度值区。
亮场照明和暗场照明的概念还可以推广到摄像机不是和目标表面垂直的场合,如图所示

前照明和背光照明   
前照明和背光照明是描述摄像机、光源和被检测目标相对位置的。顾名思义,前照明是摄像机和光源同在被检测目标的一侧;背光照明是摄像机和光源各在被检测目标的一侧。
前照明可以由各种方式,我们可以用在被检测目标上的一个半球发光源统一表示。如图所示:

光源(发光体)可以是整个半球体;可以是半球体上以半径为r的一个环或者是环上的一部分,环的位置可以是在球面上的任何位置;光源还可以是分布在摄像机一侧。最常见的几种前照明方式有:

顶光 
顶光照明属亮场照明,光源可以是直射光或漫反射光。

 
   

单侧照明

低角度光
低角度照明属暗场照明,光源可以是直射光或漫反射光。

 
   

同轴光
同轴光属亮场照明,理想情况下,照射到目标物体表面的光与镜头的主光轴平行。同轴光适合于光滑的金属表面微小凹坑、划痕、裂纹、毛刺、凸起等缺陷的检测,或表面由反射、吸收特性不同的材料组成的目标物体的检测。同轴光是由半透、半反镜组成,实际效率仅有25%。

Dome
光线是从发光半球体的各个角度发出的,因此Dome是一种光场非常均匀的光源,产生无阴影的图像。左图为Dome的原理图,右图实际光源构造原理图.

   

  适合于不平整的光滑表面上印刷、或文字检测。

背光照明

    

  在使用背光照明测量目标尺寸时,如果目标边缘是曲面,则测量结果会小于实际尺寸。为尽量避免这种现象发生,应使用准直光源,如:同轴光或平行光作背光源,使用远心镜头。

   

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